非常に大きな磁気勾配により無重力環境を実現する超電導バルク磁石の開発

开发超导块体磁体，通过极大的磁梯度实现零重力环境

• 批准号: 21J14069
• 负责人: 高橋 圭太
• 金额: $ 1.41万
• 依托单位: Iwate University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-28 至 2022-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21J14069/
• 关键词: 超電導バルク; 高磁気勾配型超電導バルク磁石; 磁気浮上; 磁気力勾配; 強磁場; 磁場中冷却着磁; 擬似無重力環境; 宇宙利用

(RE)BaCuO(REは希土類元素又はY)等の超電導バルク体は、着磁により磁場を捕捉することで小型な強磁場源となる。このバルク磁石が発生する強磁場を簡便に提供することで、これまで特定の研究施設に限られてきた高磁気力の利用がラボスケールから可能となる。本研究では、高磁気力を真空容器外の開放空間にて提供する「高磁気勾配型超電導バルク磁石(HG-TFM)装置」の提案と実証に着手した。ここで、従来の大型電磁石に匹敵する3000T^2/m程度の磁気力勾配の発生を中間目標とし、実機において種々の反磁性体の磁気浮上現象を確認することで本提案の装置を実証することを目的とした。電磁界解析ソフトウェアを活用し、所望の磁気力勾配を見込める新規なバルク磁石の磁気構造の提案を行った。本提案によるHG-TFMは、スリット加工を施した円筒バルクをスリット無しの円筒バルクに積層しており、その界面において逆磁場により捕捉磁場を打ち消すことで磁気勾配を向上させる。解析結果では、HG-TFMが発生する最大磁気力勾配が着磁に要する印加磁場強度やバルク磁石の内径に依存して変化することを明らかにした。解析による知見を元に、円筒状バルク体と補強治具の加工を行い、HG-TFMの実機の製作を行った。着磁実験では4段積層した円筒状バルク体を冷凍機により冷却し、磁場中冷却着磁(着磁温度22 K)により磁気力勾配－1930 T^2/m (捕捉磁場8.57 T)の持続的な発生に成功した。この条件で室温ボア空間における磁気浮上のデモを行い、浮上したビスマス結晶や純水の撮影に成功している。本研究により、強磁場を用いた擬似無重力環境がラボスケールから利用できる新たな磁場源の基本的な構造が完成した。本装置は、国際宇宙ステーションにおける宇宙利用実験と同等の環境を地上で提供できる可能性があるとして期待される。

(RE)BaCuO（RE是稀土元素或Y）等超导块体材料通过磁化捕获磁场而成为致密的强磁场源。通过简单地提供由这种大块磁体产生的强磁场，就可以在实验室规模上使用仅限于特定研究设施的高磁力。在这项研究中，我们已经开始提出并演示一种“高磁梯度超导块体磁体（HG-TFM）装置”，该装置可以在真空容器外部的开放空间中提供高磁力。在这里，我们将通过在实际机器中确认各种反磁性材料的磁悬浮现象来演示所提出的装置，中间目标是产生约3000T^2/m的磁力梯度，这与传统大型电磁体的磁力梯度相当目的是。使用电磁场分析软件，我们提出了一种新的块状磁体磁结构，可以实现所需的磁力梯度。所提出的 HG-TFM 包括将有缝圆柱形块体堆叠在无缝圆柱形块体上，并通过在界面处用逆磁场消除俘获磁场来改善磁梯度。分析结果表明，HG-TFM 产生的最大磁力梯度根据磁化所需的外加磁场强度和块体磁体的内径而变化。根据分析结果，我们制造了圆柱形块体和加固夹具来制造实际的 HG-TFM。在磁化实验中，将四级堆叠的圆柱形块体通过制冷机冷却，通过在磁场中冷却和磁化来维持-1930 T^2/m（俘获磁场8.57 T）的磁力梯度（磁化温度 22 K）成功发生。在这些条件下，我们在室温孔空间中演示了磁悬浮，并成功拍摄了悬浮的铋晶体和纯水。通过这项研究，我们已经完成了一种新型磁场源的基本结构，该磁场源可以利用实验室规模的强磁场模拟零重力环境。该装置有望在地面提供与国际空间站空间利用实验相当的环境。

项目成果

The hybrid trapped field magnet as a desktop-type magnetic field source providing a quasi-microgravity space on Earth: concept and validation

作为桌面型磁场源的混合俘获场磁体在地球上提供准微重力空间：概念和验证

• 发表时间: 2021
• 作者: Keita Takahashi;Hiroyuki Fujishiro;M D Ainslie
• 通讯作者: M D Ainslie

Validation of a high-gradient trapped field magnet with an open bore providing a quasi-microgravity space on Earth and its application to magnetic levitation

具有开孔的高梯度俘获场磁体在地球上提供准微重力空间的验证及其在磁悬浮中的应用

• 发表时间: 2021
• 作者: Keita Takahashi;Hiroyuki Fujishiro;M D Ainslie
• 通讯作者: M D Ainslie

Validation of a quasi-microgravity space exploiting a high-gradient trapped field magnet (HG-TFM) as a desktop-type magnetic field source

利用高梯度俘获磁场 (HG-TFM) 作为桌面型磁场源的准微重力空间的验证

• 发表时间: 2021
• 作者: Keita Takahashi;Hiroyuki Fujishiro;M D Ainslie
• 通讯作者: M D Ainslie